水平法生长高掺杂GaAs单晶中位错的控制

水平法生长高掺杂GaAs单晶中位错的控制

尤宏涛、武壮文

摘要：本文住要阐述了低位错水平砷化镓单晶制备方法及晶体生长过程中位错产

生的原因

关键词：低位错水平砷化镓单晶

Abstact: This paper illustrated the methods of processing low

dislocation HB-GaAs single crystals and argued the causes of generating dislocation

Keyword dislocation HB-GaAs single crystal 一、前言

随着信息时代的来临，半导体器件已是信息产业的主要支柱。Si虽然是现时代半导体器件的主要材料，但是当前电子技术的发展，已使得市场对电子器件和材料的要求不断提高，使得Si已无法满足市场的需求，同时GaAs,GaP,InP等一批半导体材料生产技术的成熟及其优良的性能，已有能力替代Si材料来制备高性能的电子器件。由于GaAs化合物半导体的本身特点，近年来已广泛应用于光电器件和微波及太阳能电池等方面,特别是无位错GaAs材料在激光衬底材料的应用正在日益扩大

二、实验与实验方法.

实验是在新型水平单晶炉上进行的。新型水平单晶炉采用双向导轨,消除了炉体的机械震动,运动部分采用步进电机直接驱动,减小了爬坡,使用新型的支撑材料,解决了反应管变形问题,炉体使用新型四瓣加热装置,高温区和中温区采用多段加热结构,并使用了新型保温材料,温控装置采用国际先进的欧陆温度控制仪系列。

原料采用高纯的砷化镓多晶。

石英舟长500mm,使用以前要经过预处理。 籽晶角度为<111>偏〈111〉A15度。 锭条总重3000-4000克

三、结果与讨论 1.掺杂与位错

砷化镓单晶的位错控制一直是生产中的一个难点,虽然有多方面的文章指出降低位错的方法,但都是在试验阶段,都无法满足批量生产的要求。

砷化镓单晶的无位错或低位错生长,大多归结于掺杂效应,高浓度掺杂是无位错生长的必要条件,一般认为砷化镓晶体在高掺的情况下,有利于低位错的生长(一定的杂质浓度有抑制位错增生的能力),高掺杂之后增加了晶体的屈服应力,使其强度增大,不易产生塑性变形,因而不易引入位错,即Vga-Siga复合体阻碍了位错的运动.

2.籽晶与位错的关系

晶体生长存在各向异性,生长的各向异性导致必须选用适当的生长方向。即合适的籽晶取向.从晶体热力学可知,最密排晶面的垂直方向的生长速度最慢,而该晶

面横向扩展速度最快,即在一定过冷度下,如果是无位错生长时则首先在该晶面成核,然后按Kossel机制进行横向二维生长,当有位错时则按Fronk机制生长.对闪锌矿结构的GaAs晶体而言,该晶面为<111>时，沿此晶面生长时最稳定。

在同等条件下通过多次实验发现采用<111>方向生长的砷化镓单晶位错最低，还有大量文献也指出采用<111>方向的单晶对位错的运动有一定的抵制能力既不利于位错的增生,籽晶一般有一定的位错,若位错线与生长面斜交有可能延伸到晶体中来,但采用无位错籽晶也不一定能克服位错的延伸。对单晶生长而言，籽晶位错的密度不用刻意苛求,但选取低位错籽晶对晶体的生长时降低位错肯定是有利的. 单晶位错密度的高低与生长界面法线与籽晶的取向(生长方向)之间的夹角β有一定的关系。生长界面法线与籽晶的取向(生长方向)的夹角β随着炉内温场分布而异。故应根据不同的炉体结构，不同的温场选择不同的角度β。 3.热场与位错关系

水平炉的热场表现在轴向温度梯度和径向温度梯度,晶体在有梯度的热场下,其内部产生应力而处使位错增生,在轴向温度梯度较小的情况下,应力影响不大,故能生长无位错或低位错单晶.

对于水平炉内,轴向温度梯度的观察和调节,主要是取决于炉内晶体生长界面的形状,加大炉内轴向温度梯度通常界面会成凹状,此时成晶较容易.但晶体位错高,成品率低,而且梯度过大,易形成位错堆,导致晶体生长失败.减小温度梯度,界面通常成凸状,此时晶体生长位错较低,但到晶体尾部晶体生长界面不易控制,但成品率较高,可通过对凹凸面的适当调节来达到满意的温度梯度。典型的单晶参数见表一。

表一、低位错水平砷化镓单晶的参数 参 部位 头 部 尾 部 数 n(cm-3) 迁移率 EPD n(cm-3) 迁移率 EPD 编号 X1018 cm2/vs cm-2 X1018 cm2/vs Cm-2 A 1.54 2170 837 4.02 1290 528 B 2.3 1830 472 4.52 1420 1000 C 1.49 2100 645 2.34 1860 972 D 1.88 2010 891 3.92 1360 606 E 2.33 1940 475 4.13 1290 511 F 1.98 2010 665 3.97 1620 705 四、结论

通过综合以上因素,已能常规拉出低位错单晶,通过对轴向温度梯度的调整,可明显降低位错,同时发现,在高掺的情况下,过小的梯度易应起晶向的改变,在转向发生的位置位错都很低。.

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